基于双相介质的地震波衰减特性油气检测方法

汪佳蓓， 黄捍东， 郭　飞

( 1. 中国地质大学(北京) 能源学院，北京　100083；　2. 中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室，北京　102249；　3. 中国石油大学(北京) 提高采收率研究院，北京　102249；　4. 中海石油深圳分公司 研究院，广东 广州　510240 )



基于双相介质的地震波衰减特性油气检测方法

汪佳蓓1， 黄捍东2,3， 郭飞4

( 1. 中国地质大学(北京) 能源学院，北京100083；2. 中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室，北京102249；3. 中国石油大学(北京) 提高采收率研究院，北京102249；4. 中海石油深圳分公司 研究院，广东 广州510240 )

油气储层是典型的多相介质，目前油气检测中依据的单相介质理论容易造成预测结果的多解性。为了更准确地检测油气，以Biot双相介质理论为基础，推导吸收系数表达式，建立能量密度衰减方程，利用广义S变换对地震资料进行频谱分解，分析介质含不同流体后地震波各频率成分的衰减特征。结果表明：当双相介质中所含流体性质不同时，地震波的频率衰减也不尽相同，当储集层中含油气时，地震波频率衰减量显著增大，低频能量衰减小，高频能量衰减大，在频谱上表现为低频能量相对增强，高频能量相对减弱，整体能量向低频移动。对比实际工区的低、高频能量剖面和衰减剖面，将地震波的衰减规律运用到油气检测中取得较好的效果，理论模型和实际资料的运用表明该方法可行。

地震波衰减； 双相介质； 吸收系数； 能量密度衰减方程； 广义S变换； 油气检测

0　引言

随着勘探精度要求的不断提高，基于单相介质理论的油气检测方法已不能满足勘探开发的要求。地下储层介质大部分是由固体和流体组成的双相介质，地震波在双相介质中传播不同于单相介质的情况，因此，研究双相介质中地震波的吸收衰减规律有利于提高油气储层预测的精度。

双相介质理论可以追溯到Voigt W和Reuss A提出的Voigt-Reuss模型[1-2]，随后Hill R修正为Voigt-Reuss-Hill 模型[3]，该模型已具备双相孔隙介质的雏形。1951年，Gassmann F建立Gassmann方程[4]，方程中设定自适应假设条件，被认为是最早的孔隙介质理论。1956年，Biot M A[5-6]首次系统地阐述含流体介质中的弹性波传播规律，奠定双相介质弹性波动理论基础。1962年，Biot M A[7-8]建立双相介质耗散时的地震波方程，推导孔隙介质中衰减、波速与频率和孔隙介质参数之间的关系，分析地震波的吸收衰减机理。1993年，Dvorkin J和Nur A[9]加入喷射流机理，提出BISQ模型，推导地震波的相速度和衰减系数与固体频率和流体黏滞性等宏观变量之间的关系，研究地震波的衰减和频散特征。1994年，Parra J O[10]研究在低群和高群速度层中渗透率对地震波衰减的影响。1995年,Dilay A等[11]讨论储层内部及储层上、下方的频率谱，分析含油气性对地震波频率的影响。马昭军、李军、吴顺和等[12-14]研究表明，球面扩散、介质散射、介质黏弹性的吸收衰减等可以导致地震波的衰减，双相介质中的流体也导致地震波的频散和衰减，可以利用地震波各频率成分的能量衰减特征检测油气。2003年，Castagna J P等[15]提出孔隙介质含油气区域含有强衰减，利用频谱分解方法提取衰减特征并成功检测油气。2004年，Korneev V A等[16]基于物理实验得到带衰减的地震记录，并指出地层含流体后出现地震波的高频能量衰减异常、低频阴影和旅行时延迟等现象。2006年，Coloshubin G等[17]提出应用地震波反射信号中的低频信息识别孔隙介质中含油气区。

我国学者利用地震波的衰减判断油气也取得效果。2002年，撒利明等[18]以多相介质理论为基础，采用DHAF技术，观测地震波振幅衰减情况并检测油气。2007年，卢明辉等[19]探讨双相介质含不同流体时的反射规律，研究孔隙度、饱和度等储层参数对纵波衰减的影响。2008年，He Zhenhua等[20]运用低频阴影及其能量强度随着频率的变化特征成功识别油气。董宁等[21]通过提取地震资料的高频能量衰减梯度，成功识别碳酸盐岩缝洞型油气储层。2010年，李勇等[22]基于地震波衰减规律，通过快纵波的吸收系数和逆品质因子的横向变化预测油气。张会星、孙万元等[23-24]提取地震波衰减和频散属性并成功识别油气。笔者基于Biot理论推导双相介质吸收系数表达式，建立能量密度衰减方程，解释介质含流体后地震波的衰减原理，结合高低频能量衰减特性检测油气，为利用地震资料进行油气检测提供依据。

1　方法原理

1.1地震波衰减

Biot理论假设条件：岩石完全饱和，孔隙介质视为各向同性均匀介质[5-6]。Biot双相介质理论比较完善地描述流体饱和储层的地震波动力学特征，使储层中流体性质等油藏参数直接与地震传播特征联系起来[5-8]。基于Biot理论耗散时的地震纵波方程[5-6]为

(1)

式中：P=A+2N,A和N与弹性波理论中的拉梅系数对应;e和ε分别为固相和流相的体应变；Q为系数，反映固体与流体体积变化之间的耦合性质；R为保持总体积不变而施加在流体上的压力系数；ρ11、ρ12、ρ22为质量系数；b为耗散系数。

(2)

则地震波的能量密度方程为

(3)

式(2-3)中：φ0和φ0分别为固相和流相的初始位移位；x为传播距离；t为传播时间；a为吸收系数；k为波数；w为圆频率。e和ε分别为

(4)

将式(4)代入纵波方程(1)可得

(5)

式(5)化简可以求解出波数k和吸收系数a:

(6)

式中：H=P+R+2Q；ρ=ρ11+ρ22+2ρ12。

将式(6)中的吸收系数a代入到能量密度方程(3)中，得到平面波传播x后的能量密度衰减方程为

(7)

(8)

同样可推导波数k和吸收系数a的表达式：

(9)

式(9)吸收系数a恒为零，表明单相介质中地震波的各种频率成分都不衰减。

理想的单相介质对平面波无衰减，双相介质具有衰减性。分析能量密度衰减方程(7)可知，双相介质中地震波能量衰减与圆频率w有关，w越大，地震波衰减量越大。即当介质含有流体后地震波出现频率衰减，其中高频衰减相对较快，低频衰减较慢，致使地震波能量移动到低频。

1.2谱分解方法

基于双相介质地震波衰减规律，利用时频分析方法提取原始地震资料的频率域能量属性，根据地震波各频率成分的能量衰减特征[25]，分析地层的双相性并检测油气。

时频分析方法的选取是进行非平稳地震信号的频率域属性提取的关键[26-27]。对原始地震信号进行频谱分解后，结果具有较高的时频分辨率，可对目的层段地震波频率成分的变化进行精细表征[28-29]。利用广义S变换对地震资料进行频谱分解，其小波基函数[30-31]为

(10)

式中：τ为时间平移因子；f为频率；λ、p分别为用于调节小波基函数的时宽和衰减趋势。

原始地震剖面记为s(x1,t)，其中x1为偏移距。定义地震剖面s(x1,t)的广义S变换为

(11)

则|Sλp(f0,x1,τ)|为频率f0的单频能量剖面。

含流体地层的地震波高频能量衰减，低频能量增强，因此可以利用高频能量剖面对应低能量区，低频能量剖面对应高能量区判断地层是否含有流体。通过低频能量剖面与高频能量剖面相减，可以消除规律均匀的能量衰减，保留衰减异常的部分，突出地层的衰减特性。由于单频能量剖面随机性较强，因此利用频率段的叠加能量剖面进行比较，有利于凸显地层的衰减,进而预测油气。

2　理论模型验证

为了阐明地层中含流体后地震波衰减规律，分别设计干砂岩单相介质、含水砂岩双相介质、含油砂岩双相介质和含气砂岩双相介质等4个一维模型，岩石基质及流体的物性参数见表1，模型弹性参数见表2，弹性参数是在表1的基础上根据Biot-Gassmann物性参数转化关系求出的[32]。采用平面波激发，激发源为35 Hz的Ricker子波，将接收到的3个透射波振幅谱分别作归一化处理，然后将归一化结果进行比较。

表1　岩石基质及流体物性参数

注：K为体积模量；μ为剪切模量;ρ为密度；vp为纵波速度；vs为横波速度

表2　模型弹性参数

透射波的振幅谱见图1(其中，激发源主频35 Hz位于虚线处)。由图1可知，双相介质中透射波的主频小于单相介质的主频，说明地震波穿过含有流体的地层后，出现频率衰减，并且含油和含气介质的主频要小于含水介质的主频，其中含气介质的主频是最小的，表明当地层中所含流体性质不同时，地震波的频率衰减也不尽相同。当储集层中含油，特别是含有天然气时，地震波频率衰减量显著增大，因而地震波频率的衰减程度能很好地反映地层中所含流体的情况。

为了突出双相介质中频率成分的变化，分别将双相介质与单相介质的振幅谱相减，结果见图2，其中，黑色为零线，蓝色为含水介质与单相介质的频谱相减，绿色为含油介质与单相介质的频谱相减，红色为含气介质与单相介质的频谱相减，虚线为双相介质和单相介质振幅谱相减的零值处。由图2可知，当地震波主频小于35 Hz时，双相介质和单相介质振幅谱相减为正值，即双相介质的振幅谱大于单相介质的，并且红线和绿线对应的振幅值大于蓝线对应的振幅值，说明含油和含气介质的振幅谱要大于含水介质的，其中含气时振幅值最大；当地震波主频大于35 Hz时，双相介质和单相介质振幅谱相减为负值，即双相介质的振幅谱小于单相介质的，并且红线和绿线对应的振幅值小于蓝线对应的振幅值，说明含油和含气介质的振幅谱要小于含水介质的，其中含气时振幅值最小。改变模型的弹性参数后进行相同的运算得到同样结论，说明介质中含流体后地震波的低频成分相对增强，高频成分衰减，如果介质中流体为油气，则高频能量衰减量更大，低频能量更强。模型验证结果与理论推导的地震波衰减规律一致，说明地震波的高频衰减、低频能量相对增强可以较好地反映介质的双相性及油气。

3　油气检测效果分析

3.1工区概况

某油田的纯波地震资料频率成分保持较好，有利于应用文中方法检测油气。工区目的层为珠江组和珠海组，主要是深水浊积水道沉积，储层的油气空间分布主要受岩性和构造控制，为岩性—构造油气藏。工区的连井偏移剖面见图3，该地震资料主频为20 Hz，频宽为5～80 Hz，目的层在2条红线(图3的1线和5线)之间，1线和2线之间为Sand1，2线和3线之间为Sand2，3线和4线之间为Sand3，其中Sand1在B井尖灭。区域内有A、B两口探井，其中A井分布于构造高部位，在目的层钻遇3套含气砂体(Sand1、Sand2和Sand3)，获得工业气流； B井分布于构造低部位，钻遇2套砂体(Sand2和Sand3)，其中Sand2为含气工业气流，Sand3为水层。

图1　透射波振幅谱Fig.1 Amplitude spectrum comparison diagram of transmitted wave

图2　双相介质与单相介质的振幅谱差值Fig.2 Subtraction between the amplitude spectrum of two-phase medium and single-phase medium

图3　工区连井偏移剖面Fig.3 Well-tie migration section of work area

3.2预测结果

对连井剖面(见图3)进行油气检测处理，结果见图4和图5。A井钻遇的3套含气砂体和B井的1套含气砂体,在低频能量剖面(见图4)中对应红色强能量区域，即图4圆圈处。由图4可以看出，A井的3套砂体处低频能量较高，证明低频能量增强；B井是1套含气砂体，低频能量也偏高，但没有A井的高。在高频能量剖面(见图5)中，A井圆圈处对应蓝色低能量区，证明该处高频能量较低，地震波高频段衰减很大，B井的高频能量比A井处的高，表明B井出现衰减，但没有A井的衰减大。这些现象与理论推导的含油气地层中地震波衰减规律一致，即地震波穿过含气储层后，能量发生较大的衰减，低频能量增强，高频能量减弱，整体能量向低频移动。

低频能量剖面(见图4)减去高频能量剖面(见图5)得到的衰减剖面见图6。衰减剖面中红色区为预测的高衰减异常段，指示流体特别是油气的存在。由图6可以看出，A井钻遇3套砂体(Sand1、Sand2和Sand3)含气，与对应的深度预测为高衰减异常区吻合；B井钻遇2套砂体(Sand2和Sand3)，其中Sand2含气与对应的深度预测为衰减异常区吻合，Sand3为水层；Sand3异常段没有Sand2的含气情况明显，说明含水衰减异常没有含气衰减异常明显，与实际理论符合。这表明预测结果与实钻结果相符，说明该方法可以有效地检测油气。

图4　低频能量剖面(20～25 Hz)Fig.4 Low-frequency energy section (20～25 Hz)

图5　高频能量剖面(60～65 Hz) Fig.5 High-frequency energy section (60～65 Hz)

图6　衰减剖面Fig.6 Attenuation section

分析工区的低、高频能量剖面和衰减剖面，将地震波的衰减规律运用到油气检测中，证实该方法的可行性。为了在实际应用中得到更高的油气检测精度，需注意：(1)常规地震数据在处理过程中可能改造原始频率成分或是滤掉对储层较敏感的低频分量，应使用频率成分相对保持完好、保幅和剔除AVO角度效应等地震资料进行目的层的油气检测；(2)地震反演能够在一定程度上弥补地震波衰减解释中存在的多解性，文中方法和高精度反演技术结合将更有利于精细刻画油气储层的空间展布。

4　结论

(1)以Biot双相介质理论为基础，推导介质的吸收系数表达式，建立与油藏参数有直接联系的能量密度衰减方程，并结合模型验证分析介质含不同流体后地震波各频率成分的能量衰减规律，为利用地震资料进行油气检测提供理论依据。

(2)广义S变换能对地震剖面进行逐道频谱分解，变换的能量谱可以清晰刻画目的层段的地震波的能量随时间和频率变化的情况，同时结合双相介质地震波衰减规律分析地层的双相性检测油气。

(3)地震波穿过含有流体的地层后，出现能量和频率的衰减，并且当地层中所含流体性质不同时，地震波的频率衰减也不尽相同。当储集层中含油，特别是含有天然气时，地震波频率衰减能量显著增大，低频能量衰减小，高频能量衰减大，在频谱上表现为低频能量相对增强，高频能量相对减弱，整体能量向低频移动。

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2015-10-19；编辑：陆雅玲

国家基础研究发展计划(973计划)项目(2011CB201104)

汪佳蓓(1986-)，女，博士研究生，主要从事复杂油气藏储层预测方面的研究。

10.3969/j.issn.2095-4107.2016.02.003

P631.4;TE122.2

A

2095-4107(2016)02-0019-08